添加乙二醇对聚醚淬火剂冷却特性的影响

祖国胤，王漪琼，张精华，卢日环

(东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

聚醚型水溶性淬火剂是一类具有逆溶性、冷却速度可调、热稳定性好、防淬裂效果明显、无毒、不污染金属零件表面、便于清洗、节约能耗等特点的新型淬火剂［1～4］，在热处理生产中有广泛的应用前景.已报道的聚醚型水溶性淬火剂通常由环氧乙烷和环氧丙烷通过无规则共聚反应制得［5，6］，但其成本价格较高，且存在易老化、淬火后工件硬度均匀性不足等缺点.

在系统分析淬火剂主要成分对材料组织与性能影响规律的基础上，本研究尝试采用将性能稳定、黏度较小、相对分子质量较低的乙二醇添加到聚醚淬火剂中，以期显著改善淬火剂的冷却性能.

1 实验材料及方法

本文主要研究乙二醇对聚醚淬火剂冷却特性的变化、淬火后工件的硬度均匀性和淬火剂老化规律的影响，为实际生产工艺提供参考依据.研究中开发的聚醚淬火剂的成分如表1所示.

表1 聚醚淬火剂的组成成分(质量分数)Table 1 The components(mass fraction)of polyether quenching medium %

为了改善聚醚淬火剂的性能，向其中加入乙二醇配制聚醚－乙二醇淬火剂，其成分如表2所示.

1.1 测定冷却曲线

根据GB/T 7951标准的规定，将一个几何中心装有Inconel 600合金热电偶的热探头加热到800℃并保温5 min［7］，然后分别淬入2 L不同浓度的聚醚淬火剂和聚醚－乙二醇淬火剂中并冷却到室温.测试完毕后将探头从淬火液中移出，根据绘制的温度－时间的函数关系，读取不同冷却阶段所用时间.根据绘制的冷却速度与温度的函数关系，得到最大冷却速度、发生最大冷却速度时所在温度等特性参数.

表2 聚醚－乙二醇淬火剂的组成成分(质量分数)Table 2 The components of polyether－glycol quenching medium %

1.2 测定冷却硬化能力

将尺寸为Ф30 mm×100 mm的圆柱形40Cr试样加热到820℃保温30 min后，经聚醚淬火剂和聚醚－乙二醇淬火剂淬火，试样的成分如表3所示.将淬火后的试样截断为两个相等的部分，端部磨光后沿截面直径每隔2 mm测量其硬度，通过硬度V曲线来分析工件的硬度均匀性及淬火剂的硬化能力.试样冷却后在中心位置切断，在截面上中心处标记并观察该区域的金相组织.

表3 40Cr钢的化学成分(质量分数)Table 3 The chemical composition(mass fraction)of 40Cr steel %

2 实验结果与讨论

2.1 淬火剂的冷却曲线

聚醚淬火剂冷却过程的冷却曲线如图1所示.从图中可以看出，随着聚醚淬火剂质量分数的增加，冷却过程中蒸气膜阶段经历［8］的时间明显增长.淬火剂的质量分数和最大冷速、最大冷速温度、特性温度成反比，和特性时间成正比(最大冷速代表冷却过程中热交换最剧烈时工件每秒能够下降的温度;最大冷速温度是产生最大冷速时所处温度;特性温度代表冷却第一阶段和第二阶段的交点;特性时间代表到达特性温度的时间).因此，聚醚淬火剂的冷却速度可以通过调整聚合物浓度加以调节.不同浓度聚醚淬火剂在300℃时冷速均小于50℃/s，表明马氏体相变不易引起淬火工件的变形开裂.此外，冷却曲线显示高浓度聚醚淬火剂的冷却特性和淬火油较为相似［9］.

图1 10%～40%的聚醚淬火剂的温度－时间、温度－冷却速度曲线Fig.1 The temperature－time and temperature－cooling velocity cooling characteristics of polyether quenching medium with concentration of 10%～40%

聚醚－乙二醇淬火剂冷却过程的冷却曲线如图2所示.结合图1所示的聚醚淬火剂的冷却曲线进行对比分析，可以发现质量分数为5%～20%的聚醚－乙二醇淬火剂具有与质量分数为10%～40%的聚醚淬火剂相似的冷却特性.与聚醚淬火剂不同的是，聚醚－乙二醇淬火剂的冷却第一阶段所经历的时间受浓度的影响变小，淬火剂最大冷速范围为80～120℃/s，与聚醚淬火剂相比，聚醚－乙二醇淬火剂的最大冷速范围更宽，可适应更为广泛的淬火工件尺寸及淬火后组织要求.

图2 5%～20%的聚醚－乙二醇淬火剂的温度－时间、温度－冷却速度曲线Fig.2 The temperature－time and temperaturecooling velocity cooling characteristics of different concentration polyether－glycol quenching medium with concentration of 5%～20%

聚醚－乙二醇淬火剂在工件淬火冷却过程中，遵循有物态变化淬火介质冷却过程的经典理论.淬火剂中的聚合物淬火时在高温区析出，可在工件表面起浸润作用，促使蒸气膜较快破坏.当聚合物浓度增大时，在淬火过程中在工件表面形成沉积膜，起到隔热层的作用.浓度越大聚合物含量越多，在冷却第一阶段即蒸气膜阶段所形成的蒸气膜越厚，隔热性越好且不易破裂，所以经历的时间越长导致冷却速度下降.聚合物浓度越高，沉积膜的厚度越厚，冷却过程中第二冷却阶段的初始温度就越低，持续时间越长.淬火剂的质量分数和最大冷速、最大冷速温度、特性温度成反比，和特性时间成正比.因此，淬火剂的冷却速度可以通过调整聚合物浓度来调节.沉积膜的存在使散热比较均匀，从而可消除软点，并减小工件的内应力，防止工件变形.乙二醇的黏度比一般聚合物的小，因此淬火过程中聚合物膜稳定性变差，能够提高淬火剂的冷却能力，并且工件的重复进出所造成的聚合物损耗变小，提高淬火剂耐老化能力.

2.2 硬度均匀性

图3为试样经质量分数为20%的聚醚淬火剂和质量分数为20%的聚醚－乙二醇淬火剂淬火后的硬度V曲线.从图中可以看出，与聚醚淬火剂相比，经聚醚－乙二醇淬火剂淬火后的钢件的硬度V曲线没有出现半马氏体区(即硬度值变化平缓区域突然下降的点)，淬火后硬度值较高，硬度值变化趋势平缓.出现这种现象的原因在于向聚醚淬火剂中添加乙二醇后，由于乙二醇的黏度小，当冷却第二阶段到来时聚合物膜能够迅速破裂完全，试样上润湿面推移速度变快，具有更好的重润湿性［10］，且乙二醇薄膜不如聚醚类薄膜坚固，易溶解，能够显著提高淬火剂的冷却硬化能力和工件的硬度均匀性.

图3 经20%聚醚淬火剂和聚醚－乙二醇淬火剂淬火后试样的硬度V曲线Fig.3 Hardness V curve of sample after quench in 20%polyether quenching medium and polyetherglycol quenching medium

图4为经20%的聚醚淬火剂和聚醚－乙二醇淬火剂淬火后试样截面上中心位置的金相照片，由图中可以看出金相组织均为针状马氏体和残余奥氏体的混合物.相比之下，经20%的聚醚－乙二醇淬火剂淬火的试样组织比经聚醚淬火剂淬火的试样组织更加均匀，马氏体［11］尺寸更加细小.

向聚醚淬火剂中添加乙二醇后，形成的聚合物膜对工件的润湿作用变强，导致淬火剂质量分数对介质冷却过程中蒸气膜阶段的影响减弱，这非常有利于提高淬火剂的高温冷却速度，抑制淬火工件中先共析铁素体的产生.

图4 经20%聚醚淬火剂和聚醚－乙二醇淬火剂淬火后试样中心区域金相组织Fig.4 Microstructures of sample after quench in 20%polyether quenching medium and polyether－glycol quenching medium

3 结论

(1)向聚醚淬火剂中添加乙二醇，形成的聚合物膜对工件的润湿作用增强，所以浓度对介质冷却过程中蒸气膜阶段的影响减弱，有利于提高高温冷却速度，抑制40Cr钢的先共析铁素体产生.

(2)聚醚－乙二醇的冷却能力介于水与油之间，可通过调节浓度调节冷却特性.聚醚－乙二醇的质量分数为20%的淬火介质的冷却特性接近淬火油，这种物质是良好的矿物油替代品.

(3)向聚醚淬火剂中添加20%乙二醇，可以提高淬火剂的最大冷速到120℃/s，淬火剂冷却硬化能力增强，且有效地提高了工件的硬度均匀性.

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